핵자기공명분광분석 문의: ☎ 031-299-6748, 이은정 선임연구원
1. 핵자기공명분광기(NMR) 원리
핵자기공명분광법(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)은 원자핵 주변의 국부 자기장을 관찰하기 위한 분광 기법이다. 샘플을 자기장에 배치하고 NMR 신호는 민감한 무선 수신기로 감지되는 핵자기 공명으로의 전파로 핵 샘플의 여기에 의해 생성된다. 분자 내 원자 주위의 분자 내 자기장은 공명 주파수를 변경하여 분자의 전자 구조 및 개별 작용기에 대한 세부 정보에 접근할 수 있게 한다. 자기장은 개별 화합물에 대해 고유하거나 매우 특징적이기 때문에 현대 유기화학 실험에서 NMR분광법은 단분자 유기 화합물을 식별하는 확실한 방법이다.
핵자기공명(NMR)
전자가 스핀을 가지고 있는 것과 마찬가지로 어떤 핵들도 스핀을 가지고 있다. 외부의 자기장이 존재하지 않는 경우 핵 스핀은 무작위로 정렬된 상태이다. 외부에서 자기장을 걸어주면 유도자기장이 생기는데, 이때 핵 스핀은 외부 자기장과 같거나 반대의 방향으로 정렬된다. 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬될 경우 에너지 준위가 낮아지며, 반대 방향으로 정렬될 경우 에너지 준위가 높아진다. 기존 에너지 준위에서 높아지거나 낮아지는 에너지의 정도는 이 경우 서로 같다. 라디오파 정도의 주파수를 외부에서 에너지로 제공해 주면 핵의 스핀은 에너지를 받아서 외부 자기장에 정반대 방향으로 스핀 상태를 변화시킬 수 있다. 화합물에서 각각의 원자가 가지고 있는 핵 스핀의 강도가 다르기 때문에 같은 세기의 자기장을 걸어 줘도 흡수하는 주파수가 다르다. 따라서 NMR에서 흡수하는 주파수를 측정함으로써 어떤 원자가 존재하는지 추론 할 수 있다. 이때 분석할 수 있는 원자의 종류는 한정되어 있는데, 분석하는 원자의 스핀 양자수가 자기장을 걸었을 때 에너지 차이가 존재하는 형태의 스핀 양자수 형태를 가져야 한다. 예를 들면 원자량 12의 탄소(12C)는 자기장을 걸어도 에너지 차이가 존재하지 않기 때문에 분석할 수 없게 된다.
1H-NMR
NMR 분광 분석은 주로 여러 유기화합물의 분석과 화합물의 합성 확인을 위해 사용된다. 이때 가장 대중적으로 사용되는 분석이 바로 수소 원자의 spin공명을 통해 수소 원자를 분석하는 1H-NMR이다. 이때 수소는 가장 기본적인 원자로 대부분의 유기 분자에 포함되어 있기 때문에 가장 대중적으로 사용된다. 수소의 핵자기 공명 분광을 통해 수소 원자가 어떤 원자와 결합을 하고 있는지, 나아가 어떤 작용기에 포함되어 있는지, 공간적 배열은 어떤지에 대해 알 수 있다. 이때 1H-NMR을 사용할 시 분석하고자 하는 물질을 녹인 solvent에 존재하고 있는 수소 원자 역시 함께 분석되기 때문에, 이를 방지하기 위해서, 1H-NMR의 분석을 할 때는 solvent 내의 모든 수소를 중수소로 대체한 deuterated된 solvent를 이용한다.
2D-NMR
한종류의 원자핵만 관찰하는 1차원 NMR은 각각 한번의 pulse와 aquisiton time을 부여하지만, 2D NMR실험에서는 2번의 pulse를 이용하여 원자핵 끼리의 correlation을 2차원 map형태의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 일반적으로 1차원 NMR을 이용하지만, 분석하려는 분자의 규모가 커지고 구조가 복잡해지면, 더 많은 정보를 얻어내기 위해 2차원 NMR을 사용하기도 한다. 2차원 NMR에는 COSY, NOESY, HMBC, HSQC와 같은 다양한 종류가 있어, 상황에 따라 필요한 방법을 골라 사용한다. 2D의 경우 1H와 1H 혹은 1H와 13C를 주로 보고, 3D는 여기에 15N을 추가한다.
출처: 위키백과
2. 분석종류
| 구분 |
700MHz NMR(AVANCEⅢ700) |
500MHz NMR(Unity Inova) |
300MHz NMR(Oxford 300) |
|---|---|---|---|
|
1H |
○ |
○ |
○ |
| 13C | ○ | ○ | X |
| 19F, 27AI |
X |
○ | X |
| 2H, 16O, 23Na 35Cl, 37Cl | ○ | X | X |
|
7Li, 11B, 15N, 29Si 31P |
○ | △ | X |
|
2D(HSQC, HMBC, COSY 등) |
○ | ○ | X |
|
Water suppression, DEPT, DOSY 등 |
○ | ○ | X |
3. 분석결과 예시
| 구분 | 분석 결과 |
|---|---|
|
1D proton |
 |
|
1D carbon |
|
|
2D HSQC(H-C) |
 |
|
proton DOSY |
 |
4. 보유장비 스펙
*장비명을 선택하시면 상세스펙을 확인 할 수 있습니다.
| 장비명 | 단축명 | 모델명 | 제조사 | 예약대상 |
|---|---|---|---|---|
|
NMR 700 MHz |
AVANCEⅢ700 |
Bruker Corporation |
교내외 의뢰시료 |
|
| 핵자기공명분광기 500 MHz | NMR 500 MHz | Unity Inova | Varian Technology | 교내외 의뢰시료 |
| 핵자기공명분광기 300 MHz | NMR 300 MHz(2) | Oxford 300 NMR | Varian Technology | 슈퍼유저 전용 |
5. 활용 및 연구분야
| 연구분야 | 내 용 |
|---|---|
|
화학분석 |
화합물의 구조를 결정하고 식별 및 분자 동력학, 화학 반응 메커니즘, 반응속도 연구 |
|
생물학 및 의학 |
단백질, 핵산, 펩타이드 등 생물분자의 구조와 동역학 연구 및 생체 내 대사체 및 바이오마커의 식별 |
|
고분자 및 나노물질 |
고분자 및 나노물질의 구조와 상호작용을 연구 |
| 환경과학 | 유기 및 무기 물질의 구조와 농도 결정 |
| 식품과학 | 식품 성분의 정량 및 식품 품질 향상 연구 |